كيفية تحديد الإطار المرجعي بالقصور الذاتي. الإطار المرجعي غير بالقصور الذاتي: التعريف والأمثلة

منذ العصور القديمة، لم تتوقف حركة الأجسام المادية عن إثارة عقول العلماء. على سبيل المثال، يعتقد أرسطو نفسه أنه إذا لم تؤثر أي قوى على الجسم، فإن هذا الجسم سيكون دائمًا في حالة راحة.

وبعد 2000 عام فقط، تمكن العالم الإيطالي جاليليو جاليلي من استبعاد كلمة "دائمًا" من صياغة أرسطو. لقد أدرك جاليليو أن بقاء الجسم في حالة سكون ليس هو النتيجة الوحيدة لغياب القوى الخارجية.

ثم أعلن جاليليو أن الجسم الذي لا تؤثر عليه أي قوة إما أن يكون ساكنًا أو يتحرك بشكل منتظم في خط مستقيم. أي أن الحركة بنفس السرعة على طريق مستقيم، من وجهة نظر الفيزياء، تعادل حالة السكون.

ما هي حالة الراحة؟

في الحياة، من الصعب جدًا ملاحظة هذه الحقيقة، حيث توجد دائمًا قوة احتكاك تمنع الأشياء والأشياء من مغادرة أماكنها. لكن إذا تخيلت أسطوانة طويلة وزلقة وناعمة إلى ما لا نهاية يقف عليها الجسم، فسيصبح من الواضح أنك إذا أعطيت الجسم دفعة، فإن الجسم سيتحرك إلى أجل غير مسمى وفي خط مستقيم واحد.

في الواقع، هناك قوتان فقط تؤثران على الجسم: الجاذبية وقوة رد الفعل الأرضية. لكنها تقع على نفس الخط المستقيم وموجهة ضد بعضها البعض. وبالتالي، وفقًا لمبدأ التراكب، نجد أن القوة الكلية المؤثرة على مثل هذا الجسم تساوي صفرًا.

ومع ذلك، هذه حالة مثالية. في الحياة، تتجلى قوة الاحتكاك في جميع الحالات تقريبًا. لقد حقق جاليليو اكتشافًا مهمًا عندما ساوى بين حالة السكون والحركة بسرعة ثابتة في خط مستقيم. ولكن هذا ليس بكافي. وتبين أن هذا الشرط لا يتحقق في جميع الحالات.

تم توضيح هذه المسألة من قبل إسحاق نيوتن، الذي لخص أبحاث غاليليو وبالتالي صاغ قانون نيوتن الأول.

قانون نيوتن الأول: نقوم بصياغته بأنفسنا

هناك صياغتان لقانون نيوتن الأول: الصيغة الحديثة وصياغة إسحاق نيوتن نفسه. في النسخة الأصلية، كان قانون نيوتن الأول غير دقيق إلى حد ما، وتبين أن النسخة الحديثة، في محاولات تصحيح هذا عدم الدقة، كانت مربكة للغاية وبالتالي غير ناجحة. حسنًا، نظرًا لأن الحقيقة موجودة دائمًا في مكان قريب، فسنحاول العثور عليها "قريبًا" ومعرفة ما هو هذا القانون.

صياغة حديثةيبدو مثل هذا: "هناك أنظمة مرجعية تسمى بالقصور الذاتي، حيث تحتفظ نقطة مادية، في غياب التأثيرات الخارجية، بحجم واتجاه سرعتها إلى أجل غير مسمى".

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي هي تلك التي يتوفر فيها قانون القصور الذاتي. قانون القصور الذاتي هو أن الأجسام تحافظ على سرعتها دون تغيير إذا لم يتم التأثير عليها من قبل الأجسام الأخرى. اتضح أنه غير قابل للهضم وغير مفهوم ويذكرنا بموقف كوميدي عندما يُطرح السؤال: "أين هذا "هنا"؟" يجيبون: "إنه هنا"، وعلى السؤال المنطقي التالي: "أين "هنا"؟" يجيبون: "إنه هنا". زبدة، سمن. حلقة مفرغة.

صياغة نيوتن الخاصةهذا هو: "يستمر كل جسد في البقاء في حالة من الراحة أو الزي الرسمي الحركة المستقيمة، إلى أن وإلى الحد الذي لا تضطره القوى التطبيقية إلى تغيير هذا الوضع".

ومع ذلك، في الممارسة العملية، لا يتم اتباع هذا القانون دائمًا. يمكنك التحقق من ذلك بسهولة. عندما يقف شخص دون أن يمسك الدرابزين في حافلة متحركة، وتتوقف الحافلة فجأة، يبدأ الشخص في التحرك للأمام بالنسبة للحافلة، على الرغم من عدم وجود قوة مرئية تجبره على ذلك.

وهذا يعني أنه فيما يتعلق بالحافلة، فإن قانون نيوتن الأول في صيغته الأصلية غير مكتمل. ومن الواضح أن الأمر يحتاج إلى توضيح. التوضيح هو إدخال الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي. أي هذه الأنظمة المرجعية التي يتوفر فيها قانون نيوتن الأول. هذا ليس واضحا تماما، لذلك دعونا نحاول ترجمة كل هذا إلى لغة بشرية.

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي

خاصية القصور الذاتي لأي جسم هي أنه طالما بقي الجسم معزولاً عن الأجسام الأخرى، فإنه سيحافظ على حالة السكون أو الحركة الخطية المنتظمة. "معزول" يعني غير متصل بأي شكل من الأشكال، بعيد بشكل لا نهائي عن الأجسام الأخرى.

من الناحية العملية، هذا يعني أنه إذا لم نأخذ في مثالنا الحافلة كنظام مرجعي، بل نجمة ما على مشارف المجرة، فإن قانون نيوتن الأول سيكون راضيًا تمامًا عن الراكب المهمل الذي لا يتمسك بالمركبة. الدرابزين. عندما تقوم الحافلة بالفرملة، فإنها تستمر في حركتها المنتظمة حتى تؤثر عليها الأجسام الأخرى.

تسمى هذه الأنظمة المرجعية، التي لا ترتبط بأي حال من الأحوال بالجسم قيد النظر، والتي لا تؤثر بأي شكل من الأشكال على القصور الذاتي للجسم، بالقصور الذاتي. بالنسبة لمثل هذه الأنظمة المرجعية، فإن قانون نيوتن الأول في صيغته الأصلية صالح تمامًا.

هذا هو القانون يمكن صياغتها على هذا النحو: في الأنظمة المرجعية غير المرتبطة بالجسم على الإطلاق، تظل سرعة الجسم في غياب التأثير الخارجي دون تغيير. وبهذا الشكل، يمكن فهم قانون نيوتن الأول بسهولة.

تكمن المشكلة في أنه من الصعب جدًا من الناحية العملية النظر في حركة جسم معين بالنسبة لهذه الأنظمة المرجعية. لا يمكننا الانتقال إلى نجم بعيد بلا حدود ومن هناك إجراء أي تجارب على الأرض.

لذلك، غالبا ما يتم اعتبار الأرض كنظام مرجعي، على الرغم من أنها مرتبطة بالأجسام الموجودة عليها وتؤثر على خصائص حركتها. لكن بالنسبة للعديد من الحسابات، يعد هذا التقريب كافيًا. ولذلك يمكن اعتبار أمثلة الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي الأرض بالنسبة للأجسام الموجودة عليها، النظام الشمسيلكواكبها ونحو ذلك.

لم يتم وصف قانون نيوتن الأول من قبل أي شخص الصيغة الفيزيائيةومع ذلك، بمساعدتها يتم اشتقاق مفاهيم وتعريفات أخرى. في جوهره، يفترض هذا القانون القصور الذاتي للأجسام. وهكذا يتبين أن قانون القصور الذاتي بالنسبة للأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي هو قانون نيوتن الأول.

المزيد من الأمثلة على أنظمة القصور الذاتي وقانون نيوتن الأول

لذلك، على سبيل المثال، إذا تحركت عربة بها كرة أولاً على سطح مستو، بسرعة ثابتة، ثم تحركت على سطح رملي، فإن الكرة داخل العربة ستبدأ في التسارع، على الرغم من عدم وجود قوى تؤثر عليها (في في الواقع، يفعلون ذلك، لكنهم المبلغ صفر).

يحدث هذا لأن النظام المرجعي (في هذه الحالة، العربة) في لحظة اصطدامه بالسطح الرملي يصبح غير بالقصور الذاتي، أي أنه يتوقف عن الحركة بسرعة ثابتة.

يميز قانون نيوتن الأول بشكل مهم بين الأطر المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي. نتيجة أخرى مهمة لهذا القانون هي حقيقة أن التسارع، بمعنى ما، أكثر أهمية من سرعة الجسم.

لأن الحركة بسرعة ثابتة في خط مستقيم تعتبر في حالة سكون. في حين أن الحركة مع التسارع تشير بوضوح إلى أن مجموع القوى المطبقة على الجسم لا يساوي الصفر، أو أن الإطار المرجعي نفسه الذي يقع فيه الجسم غير قصوري، أي أنه يتحرك بتسارع.

علاوة على ذلك، يمكن أن يكون التسارع إيجابيًا (يتسارع الجسم) أو سلبيًا (يتباطأ الجسم).

هل تحتاج إلى مساعدة في دراستك؟

الموضوع السابق: نسبية الحركة: المفهوم والأمثلة
الموضوع التالي:   قانون نيوتن الثاني: الصيغة والتعريف + القليل من الخبرة

قد يخشى المرء أن يشعر معظم القراء بالملل من التفكير النظري وسيطلبون الاستشهاد مثال محددنظام القصور الذاتي في الطبيعة. وسنحاول تلبية رغباتهم قدر الإمكان. لنفكر في مثال محدد: هل الأرض نظام بالقصور الذاتي؟ سيقول كل تلميذ لهذا: "جميع الأمثلة التي قدمها مدرس الفيزياء في الفصل، موضحًا قوانين نيوتن، تتعلق بحركة الأجسام على الأرض. أفهم أن هذا يعني أن حركات جميع الأجسام على الأرض تحدث وفقًا لقوانين نيوتن. ولذلك فإن الأرض عبارة عن نظام بالقصور الذاتي.

إلا أن هذا الاستنتاج ليس دقيقا. لكي نرى ذلك، دعونا ننتقل عقليا إلى البانثيون الباريسي، حيث قام ليون فوكو، عضو الأكاديمية الفرنسية للعلوم، في عام 1851، بعرض تجربته الشهيرة.

كابل طوله 67 مترا معلق من قبة البانثيون ويرتبط به وزن نحاس وزنه 28 كلغ. بدأ هذا البندول العملاق في الحركة. بعد بضعة ترددات فقط، يصبح الأمر واضحا ظاهرة مذهلة: المستوى الذي يبدأ فيه تأرجح البندول بالدوران ببطء. لماذا؟ وأوضح فوكو نتيجة التجربة بدوران الأرض حول محورها. تدور الأرض، لكن مستوى تأرجح البندول لا يتغير - وهذا يؤدي إلى دوران مستوى تذبذب البندول بالنسبة إلى سطح الأرض. نحن نتفق تماما مع هذا التفسير، وسوف نعبر عنه بشكل مختلف قليلا: الأرض ليست نظاما بالقصور الذاتي. ويدور مستوى تذبذب البندول بالنسبة إلى الأرض، لكن من المستحيل اكتشاف أي جسم يكون مصدر القوة المسببة لهذا الدوران. وفي هذه الحالة، يحدث التسارع (يشير الدوران إلى الحركات المتسارعة) دون تأثير السلطة الحقيقية. في أنظمة القصور الذاتي، حيث تكون قوانين نيوتن صالحة، فإن مثل هذه الظواهر مستحيلة.

يمكن اعتبار الأرض نظامًا بالقصور الذاتي تقريبًا؛ بمعنى آخر، يمكننا اعتبار الأرض نظامًا بالقصور الذاتي فقط لوصف العمليات التي ليس لدورانها أي تأثير ملحوظ عليها عمليًا. الغالبية العظمى من الظواهر من حولنا هي على وجه التحديد من هذه الطبيعة. لذلك، في الحياة العملية يمكننا تطبيق قوانين نيوتن بأمان على الحركات على الأرض.

حقيقة أن الأرض ليست نظامًا بالقصور الذاتي تؤكدها ظواهر أخرى. في عام 1802، أجريت تجربة في هامبورغ، من ارتفاع 76 م سقط جسم ثقيل على الأرض. اتضح أن الجسم لم يسقط بالضبط في اتجاه الجاذبية المؤثرة عليه، لكنه انحرف بمقدار 1 سم تقريبًا باتجاه الشرق. لا يمكن تفسير ذلك إلا من خلال حقيقة أن الأرض نظام غير بالقصور الذاتي.

في عام 1857، وضع الأكاديمي الروسي كارل باير قانون تآكل ضفة النهر المعروف: بالنسبة للأنهار التي تتدفق على طول خط الطول في نصف الكرة الشمالي، تكون الضفة اليمنى مرتفعة والضفة اليسرى منخفضة، في نصف الكرة الجنوبي، على العكس من ذلك، الضفة اليسرى مرتفعة والضفة اليمنى منخفضة. هذا النمط واضح بشكل خاص في الأنهار الكبيرة. النيل، أوب، إرتيش، لينا، الفولغا، الدانوب، دنيبر، دون، وما إلى ذلك لديها ضفة يمنى عالية، والضفة اليسرى أعلى من الضفة اليمنى لهذه الأنهار في نصف الكرة الجنوبي مثل بارانا وباراجواي. لا يمكن تفسير ذلك إلا من خلال حقيقة أن مياه الأنهار التي تتدفق على طول خطوط الطول في نصف الكرة الشمالي تتحول إلى اليمين (في نصف الكرة الجنوبي، على التوالي، إلى اليسار)، وتغسل الضفة اليمنى، وتكونت الضفة اليسرى من الرمال المغسولة تصبح منحدرة.

لماذا يجب أن تنحرف الأنهار التي تتدفق على طول خط الطول إلى الجانب؟ للسبب نفسه الذي يدور فيه مستوى البندول وينحرف الجسم الذي يسقط سقوطًا حرًا. سيجيب الجغرافي أن كل هذه الظواهر ناتجة عن دوران الأرض حول محورها. سيشرح الفيزيائي أن هذا يعبر عن عدم قصور الأرض كجسم مرجعي. تدور الأرض بالنسبة لأنظمة القصور الذاتي.

إن العثور على إطار بالقصور الذاتي ليس بالأمر الصعب من حيث المبدأ: كل ما تحتاجه هو العثور على إطار مرجعي يتم فيه استيفاء قوانين نيوتن تمامًا. في الممارسة العملية، الأمر ليس بهذه البساطة على الإطلاق. لا يمكن لنظام القصور الذاتي أن يكون إلا نظامًا مرتبطًا بجسم حر. في الطبيعة، كما سبقت الإشارة، لا يوجد الهيئات الحرة; تتفاعل جميع الأجسام مع الأجسام الأخرى، على الرغم من أن هذا التفاعل يمكن أن يكون صغيرًا بشكل تعسفي. لذلك، من المستحيل الإشارة إلى نظام معين بالقصور الذاتي في الطبيعة، ولكن من الممكن دائمًا العثور على نظام يمكن اعتباره بالقصور الذاتي بدقة كافية للممارسة عند دراسة مشكلة معينة. ويجب دائماً اختيار النظام المطلوب بحيث تكون الظواهر الناجمة عن عدم قصوره أقل من خطأ أدوات القياس المستخدمة. كما أشرنا سابقًا، عند وصف معظم حركات الأرض، يمكن اعتبار كوكبنا نظامًا بالقصور الذاتي. في تجربة فوكو، وكذلك في دراسة حركة الأرض، يجب أن يرتبط نظام القصور الذاتي بالشمس. يمكن وصف حركة الشمس بنظام قصوري مرتبط بالنجوم المحيطة (تعتبر النجوم عديمة الحركة عمليا)، وعند دراسة دوران المجرة من الضروري ربط نظام القصور الذاتي بمركز كتلة المجرة. المجرة.

الصيغة التالية، الملائمة للاستخدام في الميكانيكا النظرية، مكافئة: "يُطلق على النظام المرجعي اسم القصور الذاتي، حيث يكون الفضاء متجانسًا ومتناحيًا، والزمن متجانسًا." قوانين نيوتن، وكذلك جميع البديهيات الأخرى للديناميكيات في الميكانيكا الكلاسيكية، تمت صياغتها فيما يتعلق بالأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي.

تم اقتراح مصطلح "نظام القصور الذاتي" (بالألمانية: Inertialsystem) في عام 1885 لودفيج لانج؟!ويعني نظام الإحداثيات الذي تكون فيه قوانين نيوتن صالحة. وبحسب لانج، كان من المفترض أن يحل هذا المصطلح محل مفهوم الفضاء المطلق، الذي تعرض لانتقادات لاذعة خلال هذه الفترة. ومع ظهور النظرية النسبية، تم تعميم المفهوم على "الإطار المرجعي بالقصور الذاتي".

يوتيوب الموسوعي

1 / 3

✪ الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي. قانون نيوتن الأول | فيزياء الصف التاسع #10 | درس المعلومات

✪ ما هي الأطر المرجعية القصورية قانون نيوتن الأول

✪ الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي (1)

ترجمات

خصائص الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي

أي نظام مرجعي يتحرك بالنسبة إلى ISO بشكل منتظم ومستقيم وبدون دوران هو أيضًا ISO. وفقًا لمبدأ النسبية، فإن جميع ISO متساوية، وجميع قوانين الفيزياء ثابتة فيما يتعلق بالانتقال من ISO إلى آخر. وهذا يعني أن مظاهر قوانين الفيزياء فيها تبدو متشابهة، وسجلات هذه القوانين موجودة نفس الشكلفي ISO مختلفة.

إن افتراض وجود ISO واحد على الأقل في الفضاء المتناحي يؤدي إلى استنتاج مفاده أن هناك عددًا لا حصر له من هذه الأنظمة تتحرك بالنسبة لبعضها البعض بشكل موحد ومستقيم وانتقالي وبجميع السرعات الممكنة. إذا كانت ISO موجودة، فسيكون الفضاء متجانسًا ومتناحيًا، وسيكون الزمن متجانسًا؛ وفقا لنظرية نويثر، فإن تجانس الفضاء فيما يتعلق بالتحولات سوف يعطي قانون الحفاظ على الزخم، وسيؤدي الخواص إلى الحفاظ على الزخم الزاوي، وتجانس الزمن سيؤدي إلى الحفاظ على طاقة الجسم المتحرك.

إذا كانت سرعات الحركة النسبية لمقاييس ISO التي تحققها أجسام حقيقية يمكن أن تأخذ أي قيم، فإن الاتصال بين الإحداثيات واللحظات الزمنية لأي "حدث" في ISOs مختلفة يتم تنفيذه عن طريق التحويلات الجليلية.

التواصل مع الأنظمة المرجعية الحقيقية

أنظمة القصور الذاتي المطلق هي تجريد رياضي ولا وجود لها في الطبيعة. ومع ذلك، هناك أنظمة مرجعية لا يتجاوز فيها التسارع النسبي للأجسام البعيدة بدرجة كافية عن بعضها البعض (مقاسًا بتأثير دوبلر) 10−10 م/ث²، على سبيل المثال،

يفترض قانون نيوتن الأول وجود ظاهرة مثل القصور الذاتي للأجسام. لذلك يُعرف أيضًا باسم قانون القصور الذاتي. التعطيل - هذه هي ظاهرة احتفاظ الجسم بسرعة حركته (من حيث الحجم والاتجاه) عندما لا تؤثر أي قوى على الجسم. لتغيير سرعة الحركة، يجب تطبيق قوة معينة على الجسم. وبطبيعة الحال، فإن نتيجة عمل قوى متساوية الحجم على أجسام مختلفة ستكون مختلفة. وبالتالي، يقال أن الأجسام لديها القصور الذاتي. القصور الذاتي هو خاصية للأجسام لمقاومة التغيرات في حالتها الحالية. تتميز كمية القصور الذاتي بوزن الجسم.

الإطار المرجعي بالقصور الذاتي

ينص قانون نيوتن الأول (والذي يمكن التحقق منه تجريبيًا بدرجات متفاوتة من الدقة) على أن أنظمة القصور الذاتي موجودة بالفعل. يضع قانون الميكانيكا هذا الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي في وضع خاص ومتميز.

تسمى الإطارات المرجعية التي يتم فيها استيفاء قانون نيوتن الأول بالقصور الذاتي.

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي- هي الأنظمة التي تكون فيها نقطة مادية، في غياب المؤثرات الخارجية عليها أو تعويضها المتبادل، في حالة سكون أو تتحرك بشكل منتظم ومستقيم.

هناك عدد لا حصر له من أنظمة القصور الذاتي. النظام المرجعي المرتبط بقطار يتحرك بسرعة ثابتة على طول مقطع مستقيم من المسار هو أيضًا نظام بالقصور الذاتي (تقريبًا)، مثل النظام المرتبط بالأرض. تشكل جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي فئة من الأنظمة التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض بشكل موحد ومستقيم. إن تسارع أي جسم في أنظمة القصور الذاتي المختلفة هو نفسه.

كيفية إثبات أن النظام المرجعي المعطى هو بالقصور الذاتي؟ وهذا لا يمكن أن يتم إلا من خلال الخبرة. تظهر الملاحظات أنه بدرجة عالية جدًا من الدقة، يمكن اعتبار نظام مركزية الشمس نظامًا مرجعيًا بالقصور الذاتي، حيث يرتبط أصل الإحداثيات بالشمس، ويتم توجيه المحاور إلى نجوم "ثابتة" معينة. الأنظمة المرجعية المرتبطة بشكل صارم بسطح الأرض، بالمعنى الدقيق للكلمة، ليست بالقصور الذاتي، لأن الأرض تتحرك في مدار حول الشمس وفي نفس الوقت تدور حول محورها. ومع ذلك، عند وصف الحركات التي ليس لها نطاق عالمي (أي عالمي)، يمكن اعتبار الأنظمة المرجعية المرتبطة بالأرض بالقصور الذاتي بدقة كافية.

الأنظمة المرجعية التي تتحرك بشكل منتظم ومستقيم بالنسبة لبعض الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي هي أيضًا بالقصور الذاتي.

أثبت جاليليو أنه لا توجد تجارب ميكانيكية يتم إجراؤها داخل نظام مرجعي بالقصور الذاتي يمكنها تحديد ما إذا كان هذا النظام في حالة سكون أو يتحرك بشكل منتظم ومستقيم. يُطلق على هذا البيان اسم مبدأ النسبية لجاليليو أو المبدأ الميكانيكي للنسبية.

تم تطوير هذا المبدأ لاحقًا بواسطة أ. أينشتاين وهو أحد مسلمات النظرية النسبية الخاصة. تلعب الأطر المرجعية بالقصور الذاتي دورًا حصريًا في الفيزياء دور مهملأنه، وفقًا لمبدأ النسبية لأينشتاين، فإن التعبير الرياضي لأي قانون فيزيائي له نفس الشكل في كل إطار مرجعي قصوري. في ما يلي، سوف نستخدم أنظمة القصور الذاتي فقط (دون ذكر ذلك في كل مرة).

تسمى الإطارات المرجعية التي لا يتم استيفاء قانون نيوتن الأول فيها بالقصور الذاتي.

تتضمن هذه الأنظمة أي نظام مرجعي يتحرك بتسارع بالنسبة إلى النظام المرجعي بالقصور الذاتي.

في الميكانيكا النيوتونية، تمت صياغة قوانين تفاعل الأجسام لفئة من الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي.

مثال على تجربة ميكانيكية يتجلى فيها عدم القصور الذاتي لنظام مرتبط بالأرض هو سلوك بندول فوكو. هذا هو اسم الكرة الضخمة المعلقة على خيط طويل إلى حد ما وتقوم باهتزازات صغيرة حول موضع التوازن. إذا كان النظام المرتبط بالأرض بالقصور الذاتي، فإن مستوى تأرجح بندول فوكو سيبقى دون تغيير بالنسبة للأرض. في الواقع، يدور المستوى المتأرجح للبندول بسبب دوران الأرض، ويكون إسقاط مسار البندول على سطح الأرض على شكل وردة (الشكل 1).

حقيقة أن الجسم يميل إلى الحفاظ على ليس فقط أي حركة، ولكن الحركة المستقيمة، يتضح، على سبيل المثال، من خلال التجربة التالية (الشكل 2). كرة تتحرك بشكل مستقيم على طول سطح أفقي مستو، وتصطدم بعائق ذو شكل منحني، تضطر إلى التحرك في قوس تحت تأثير هذه العقبة. ومع ذلك، عندما تصل الكرة إلى حافة العائق، تتوقف عن الحركة بشكل منحني وتبدأ في التحرك في خط مستقيم مرة أخرى. بتلخيص نتائج الملاحظات المذكورة أعلاه (وما شابهها)، يمكننا أن نستنتج أنه إذا لم يتم التأثير على جسم معين من قبل الأجسام الأخرى أو تم تعويض أفعالها بشكل متبادل، فإن هذا الجسم يكون في حالة راحة أو تظل سرعة حركته دون تغيير نسبي إلى الإطار المرجعي، المتصل بشكل ثابت بسطح الأرض.

السؤال رقم 6:

تنقسم جميع الأنظمة المرجعية إلى بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي. نظام بالقصور الذاتيالمرجع هو أساس الميكانيكا النيوتونية. إنه يميز الحركة الخطية المنتظمة وحالة الراحة. يرتبط الإطار المرجعي غير بالقصور الذاتي بالحركة المتسارعة على طول مسار مختلف. يتم تعريف هذه الحركة فيما يتعلق بالأطر المرجعية بالقصور الذاتي. يرتبط الإطار المرجعي غير بالقصور الذاتي بتأثيرات مثل قوة القصور الذاتي وقوة الطرد المركزي وقوة كوريوليس.

كل هذه العمليات تنشأ نتيجة للحركة، وليس التفاعل بين الأجسام. غالبًا ما لا تعمل قوانين نيوتن في الأطر المرجعية غير القصورية. وفي مثل هذه الحالات، يتم إضافة تعديلات على القوانين الكلاسيكية للميكانيكا. تؤخذ القوى الناتجة عن الحركة غير القصورية بعين الاعتبار عند تطوير المنتجات والآليات التقنية، بما في ذلك تلك التي يوجد فيها دوران. نواجههم في الحياة، وهم يتنقلون في المصعد، ويركبون الكاروسيل، ويراقبون الطقس وتدفق الأنهار. يتم أخذها أيضًا في الاعتبار عند حساب حركة المركبة الفضائية.

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي ليست مناسبة دائمًا لوصف حركة الأجسام. في الفيزياء، هناك نوعان من الأنظمة المرجعية: الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي. وفقا للميكانيكا النيوتونية، يمكن لأي جسم أن يكون في حالة سكون أو حركة منتظمة ومستقيمة، باستثناء الحالات التي يكون فيها الجسم تأثير خارجي. تسمى هذه الحركة المنتظمة بالحركة بالقصور الذاتي.

تشكل الحركة بالقصور الذاتي (الأطر المرجعية بالقصور الذاتي) أساس ميكانيكا نيوتن وأعمال غاليليو. إذا اعتبرنا النجوم أجسامًا ثابتة (وهذا في الواقع ليس صحيحًا تمامًا)، فإن أي أجسام تتحرك بشكل منتظم ومستقيم بالنسبة لها ستشكل أطرًا مرجعية بالقصور الذاتي.

على عكس الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، يتحرك الإطار غير بالقصور الذاتي بالنسبة إلى الإطار المحدد بتسارع معين. علاوة على ذلك، فإن استخدام قوانين نيوتن يتطلب متغيرات إضافية، وإلا فإنها لن تصف النظام بشكل كافٍ. للإجابة على سؤال ما هي الأنظمة المرجعية التي تسمى غير بالقصور الذاتي، يجدر النظر في مثال للحركة غير بالقصور الذاتي. هذه الحركة هي دوران كوكبنا والكواكب الأخرى.

الحركة في الأطر المرجعية غير القصورية

كان كوبرنيكوس أول من أظهر مدى تعقيد الحركة في حالة وجود عدة قوى. وقبله كان يعتقد أن الأرض تتحرك من تلقاء نفسها وفقا لقوانين نيوتن، وبالتالي فإن حركتها تكون بالقصور الذاتي. ومع ذلك، أثبت كوبرنيكوس أن الأرض تدور حول الشمس، أي أنها تخضع لحركة متسارعة فيما يتعلق بجسم ثابت مشروط، والذي يمكن أن يكون نجما.

حتى لا يكون هناك أنظمة مختلفةالعد التنازلي. فقط تلك التي توجد فيها حركة متسارعة، والتي يتم تحديدها فيما يتعلق بنظام القصور الذاتي، تسمى غير بالقصور الذاتي.

الأرض كإطار مرجعي

يعد النظام المرجعي غير بالقصور الذاتي، والذي يمكن العثور على أمثلة لوجوده في كل مكان تقريبًا، نموذجيًا للأجسام ذات مسار الحركة المعقد. تدور الأرض حول الشمس، مما يؤدي إلى حركة متسارعة، وهي سمة من سمات الأنظمة المرجعية غير بالقصور الذاتي. ومع ذلك، في الممارسة اليومية، كل ما نواجهه على الأرض يتوافق تمامًا مع افتراضات نيوتن. والحقيقة هي أن تصحيحات الحركة غير بالقصور الذاتي للأنظمة المرجعية المرتبطة بالأرض ضئيلة للغاية ولا تلعب دورًا كبيرًا بالنسبة لنا. وللسبب نفسه، تبين أن معادلات نيوتن صحيحة بشكل عام.

بندول فوكو

ومع ذلك، في بعض الحالات، لا يمكن تجنب التعديلات. على سبيل المثال، بندول فوكو المشهور عالميًا في كاتدرائية سانت بطرسبرغ لا يتأرجح خطيًا فحسب، بل يدور أيضًا ببطء. ويرجع هذا الدوران إلى الحركة غير القصورية للأرض في الفضاء الخارجي.

أصبح هذا معروفًا لأول مرة في عام 1851 بعد تجارب العالم الفرنسي ل. فوكو. لم يتم إجراء التجربة نفسها في سانت بطرسبرغ، ولكن في باريس، في قاعة ضخمة. كان وزن كرة البندول حوالي 30 كجم، وكان طول الخيط المتصل يصل إلى 67 مترًا.

في الحالات التي لا تكفي فيها صيغ نيوتن للإطار المرجعي بالقصور الذاتي لوصف الحركة، يتم إضافة ما يسمى بقوى القصور الذاتي إليها.

خصائص الإطار المرجعي غير بالقصور الذاتي

يقوم النظام المرجعي غير بالقصور الذاتي بحركات مختلفة مقارنة بالقصور الذاتي. يمكن أن تكون هذه حركة انتقالية، دوران، حركات مشتركة معقدة. توفر الأدبيات أيضًا مثالًا بسيطًا لنظام مرجعي غير بالقصور الذاتي كمصعد متسارع. إنه بسبب حركتها المتسارعة، نشعر وكأننا نضغط على الأرض، أو على العكس من ذلك، ينشأ إحساس قريب من انعدام الوزن. قوانين نيوتن للميكانيكا لا تستطيع تفسير هذه الظاهرة. إذا اتبعت الفيزيائي الشهير، ففي أي لحظة ستعمل نفس قوة الجاذبية على شخص في المصعد، مما يعني أن الأحاسيس يجب أن تكون هي نفسها، ولكن في الواقع كل شيء مختلف. ولذلك لا بد من إضافة قوة إضافية إلى قوانين نيوتن، وهي ما يسمى بقوة القصور الذاتي.

قوة القصور الذاتي

وقوة القصور الذاتي هي قوة فاعلة حقيقية، رغم أنها تختلف في طبيعتها عن القوى المرتبطة بالتفاعل بين الأجسام في الفضاء. ويؤخذ بعين الاعتبار عند تطوير الهياكل والأجهزة التقنية، ويلعب دورا هاما في تشغيلها. يتم قياس قوى القصور الذاتي بطرق مختلفة، على سبيل المثال، باستخدام مقياس القوة الزنبركي. الأنظمة المرجعية غير بالقصور الذاتي ليست مغلقة، لأن قوى القصور الذاتي تعتبر خارجية. قوى القصور الذاتي موضوعية العوامل الفيزيائيةولا تعتمد على إرادة ورأي المراقب.

الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي وغير بالقصور الذاتي، والتي يمكن العثور على أمثلة لمظاهرها في كتب الفيزياء المدرسية، هي عمل قوة القصور الذاتي، وقوة الطرد المركزي، وقوة كوريوليس، ونقل الزخم من جسم إلى آخر، وغيرها.

الحركة في المصعد

تظهر الأنظمة المرجعية غير بالقصور الذاتي وقوى القصور الذاتي بشكل جيد أثناء الصعود أو الهبوط المتسارع. إذا تسارع المصعد إلى أعلى، فإن قوة القصور الذاتي الناتجة تميل إلى الضغط على الشخص على الأرض، وعند الكبح، يبدأ الجسم، على العكس من ذلك، في الظهور أخف وزنا. ومن حيث مظاهرها فإن قوة القصور الذاتي في هذه الحالة تشبه قوة الجاذبية إلا أن لها طبيعة مختلفة تماما. الجاذبية هي الجاذبية المرتبطة بالتفاعل بين الأجسام.

قوى الطرد المركزي

يمكن أيضًا أن تكون القوى في الأنظمة المرجعية غير بالقصور الذاتي طاردة مركزيًا. من الضروري إدخال مثل هذه القوة لنفس سبب قوة القصور الذاتي. مثال صارختصرفات قوى الطرد المركزي - الدوران على دائري. وبينما يسعى الكرسي جاهداً لإبقاء الشخص في "مداره"، تؤدي قوة القصور الذاتي إلى ضغط الجسم على الجزء الخلفي الخارجي للكرسي. يتم التعبير عن هذه المواجهة في ظهور ظاهرة مثل قوة الطرد المركزي.

قوة كوريوليس

وتأثير هذه القوة معروف جيدا من مثال دوران الأرض. ولا يمكن تسميتها بالقوة إلا بشروط، لأنها ليست كذلك. جوهر عملها هو أنه أثناء الدوران (على سبيل المثال، الأرض)، تتحرك كل نقطة من الجسم الكروي في دائرة، في حين أن الكائنات المنفصلة عن الأرض تتحرك بشكل مثالي في خط مستقيم (مثل، على سبيل المثال، الجسم بحرية تحلق في الفضاء). وبما أن خط العرض هو مسار دوران النقاط على سطح الأرض، وله شكل حلقة، فإن أي أجسام تنفصل عنه وتتحرك في البداية على طول هذا الخط، وتتحرك خطياً، تبدأ في الانحراف عنه أكثر فأكثر في اتجاه خطوط العرض المنخفضة.

خيار آخر هو عندما يتم إطلاق الجسم في اتجاه الزوال، ولكن بسبب دوران الأرض، من وجهة نظر مراقب أرضي، لن تكون حركة الجسم زوالية بشكل صارم.

تمارس قوة كوريوليس تأثير كبيرحول تطور العمليات الجوية. وتحت تأثيرها تضرب المياه الضفة الشرقية للأنهار المتدفقة في اتجاه الزوال بقوة أكبر، مما يؤدي إلى تآكلها تدريجياً، مما يؤدي إلى ظهور المنحدرات. وعلى الجانب الغربي، على العكس من ذلك، تترسب الأمطار، فتصبح مسطحة وغالباً ما تغمرها المياه أثناء الفيضانات. صحيح أن هذا ليس هو السبب الوحيد الذي يؤدي إلى حقيقة أن إحدى ضفتي النهر أعلى من الأخرى، ولكنها في كثير من الحالات هي المهيمنة.

تتمتع قوة كوريوليس أيضًا بتأكيد تجريبي. تم الحصول عليها من قبل الفيزيائي الألماني ف. رايخ. وفي التجربة سقطت الجثث من ارتفاع 158 م، وتم إجراء 106 تجربة من هذا القبيل. عند السقوط، انحرفت الجثث عن المسار المستقيم (من وجهة نظر مراقب أرضي) بحوالي 30 ملم.

الأطر المرجعية بالقصور الذاتي والنظرية النسبية

تم إنشاء نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين فيما يتعلق بالأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي. وفقًا لهذه النظرية، فإن ما يسمى بالتأثيرات النسبية يجب أن تنشأ في حالة السرعات العالية جدًا لحركة الجسم بالنسبة إلى المراقب "الثابت". جميع صيغ النظرية النسبية الخاصة مكتوبة أيضًا حركة موحدة، سمة من سمات النظام المرجعي بالقصور الذاتي. تؤكد المسلمة الأولى لهذه النظرية على تكافؤ أي أنظمة مرجعية قصورية، أي أنه يتم افتراض عدم وجود أنظمة خاصة متميزة.

ومع ذلك، فإن هذا يلقي ظلالا من الشك على إمكانية اختبار التأثيرات النسبية (وكذلك حقيقة وجودها)، مما أدى إلى ظهور ظواهر مثل مفارقة التوأم. وبما أن الأنظمة المرجعية المرتبطة بالصاروخ والأرض متساوية بشكل أساسي، فإن تأثيرات تمدد الزمن في زوج الأرض والصاروخ ستعتمد فقط على مكان تواجد الراصد. لذلك، بالنسبة لمراقب على صاروخ، يجب أن يكون الوقت على الأرض أبطأ، وبالنسبة لشخص على كوكبنا، على العكس من ذلك، يجب أن يكون أبطأ على الصاروخ. ونتيجة لذلك، فإن التوأم الذي بقي على الأرض سيرى شقيقه القادم أصغر سنا، والشخص الذي كان في الصاروخ، عند وصوله، يجب أن يراه أصغر من الشخص الذي بقي على الأرض. ومن الواضح أن هذا مستحيل جسديا.

وهذا يعني أنه من أجل مراقبة التأثيرات النسبية، نحتاج إلى نوع من النظام المرجعي الخاص والمخصص. على سبيل المثال، من المفترض أننا نلاحظ زيادة نسبية في عمر الميونات إذا تحركت بسرعة قريبة من سرعة الضوء بالنسبة إلى الأرض. وهذا يعني أن الأرض يجب (دون بديل) أن تتمتع بخصائص النظام المرجعي الأساسي ذي الأولوية، وهو ما يتعارض مع المسلمة الأولى لـ SRT. الأولوية ممكنة فقط إذا كانت الأرض هي مركز الكون، وهو ما لا يتوافق إلا مع الصورة البدائية للعالم ويتعارض مع الفيزياء.

الأطر المرجعية غير القصورية كوسيلة فاشلة لشرح مفارقة التوأم

محاولات شرح أولوية النظام المرجعي "الأرضي" لا تصمد أمام النقد. يربط بعض العلماء هذه الأولوية على وجه التحديد بعامل القصور الذاتي لأحد الأنظمة المرجعية وعدم القصور الذاتي لنظام مرجعي آخر. في هذه الحالة، يعتبر النظام المرجعي المرتبط بالمراقب على الأرض بالقصور الذاتي، على الرغم من حقيقة أنه في العلوم الفيزيائية معترف به رسميًا على أنه غير بالقصور الذاتي (ديتلاف، يافورسكي، دورة الفيزياء، 2000). هذا هو الاول. والثاني هو نفس مبدأ المساواة في أي أنظمة مرجعية. حتى إذا سفينة فضائيةيترك الأرض بتسارع، ثم من وجهة نظر الراصد على السفينة نفسها، فهي ثابتة، والأرض، على العكس من ذلك، تطير بعيدًا عنها بسرعة متزايدة.

اتضح أن الأرض نفسها هي إطار مرجعي خاص، أو أن التأثيرات المرصودة لها تفسير مختلف (غير نسبي). ربما ترتبط العمليات بخصائص إعداد التجارب أو تفسيرها، أو بآليات فيزيائية أخرى للظواهر المرصودة.

خاتمة

وهكذا فإن الأطر المرجعية غير القصورية تؤدي إلى ظهور قوى لم تجد مكانها في قوانين نيوتن للميكانيكا. عند إجراء حسابات للأنظمة غير بالقصور الذاتي، فإن أخذ هذه القوى في الاعتبار أمر إلزامي، بما في ذلك عند تطوير المنتجات التقنية.